吳柳杰，劉 偉，單東升，楊建奎，張軍曉

(1.寧波燕清汽車技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315121；2.寧波賽福汽車制動有限公司，浙江 寧波 315121；3.南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 211800；4.燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

引言

先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥具有體積小、響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)點[1]，先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥相比直動式電磁開關(guān)閥功率密度更大，相同的功率下能夠承受更大的工作負載，同時對降低液壓沖擊具有很好的效果，因此被廣泛的應(yīng)用于電液控制系統(tǒng)中。在汽車ESC液壓控制單元中作為吸入閥使用[2-3]。除了以上特點，先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥在一定壓差下可實現(xiàn)不同的正反向流量，具有單向閥的功能，因此將該閥作為踏板行程模擬器的電磁閥[4]。國內(nèi)外學(xué)者對電磁閥做了大量研究，主要有電磁閥特性分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[5-10]、電磁閥的動靜態(tài)特性的研究[11-13]、控制方法研究對比[14]，控制策略的優(yōu)化[15]等。

先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥是一個復(fù)雜的電磁、液壓、機械、傳熱耦合系統(tǒng)，工作過程中各子系統(tǒng)相互作用、相互影響。本研究利用AMESim軟件不同系統(tǒng)的庫元件搭建仿真模型，通過仿真為試驗提供參考和預(yù)測。結(jié)合測試試驗結(jié)果對電磁閥的控制方法進行優(yōu)化，有效的降低了線圈的發(fā)熱量，提高了電磁閥的工作能力。

1 先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示，由靜鐵芯1、隔磁管2、主彈簧3、動鐵芯4、鋼球8、彈簧套9、閥座動鐵10、先導(dǎo)彈簧11、支撐座12和主閥座13構(gòu)成。電磁閥線圈由繞組7、支架5和殼體6(軛鐵和封鐵)組成。線圈得電產(chǎn)生磁場，處于磁場中的動鐵芯4和靜鐵芯1產(chǎn)生電磁吸力。正向通流時，油液從電磁閥的側(cè)孔14流進，端孔15流出，動鐵芯4在電磁力的作用下往上運動，先導(dǎo)閥口打開，當行程l2結(jié)束，動鐵芯4通過彈簧套9拉動閥座動鐵10，若此時進出口壓差較大，閥座動鐵10無法被直接拉起，則通過先導(dǎo)閥口卸去部分壓力后，閥座動鐵10被拉起，此時主閥口開啟。反向通流時，油液從電磁閥的端孔15流進，側(cè)孔14流出，動鐵芯4與閥座動鐵10一起往上運動行程l1，此時先導(dǎo)閥口關(guān)閉，主閥口開啟，此時該閥的功能相當于單向閥。

1.靜鐵芯 2.隔磁管 3.主彈簧 4.動鐵芯 5.支架6.殼體 7.繞組 8.鋼球 9.彈簧套 10.閥座動鐵11.先導(dǎo)彈簧 12.支撐座 13.主閥座 14.側(cè)孔 15.端孔圖1 先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)圖

2 先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥的建模仿真

2.1 電磁系統(tǒng)分析

從電場的角度分析，電磁閥的線圈可簡化為電阻和電感串聯(lián)結(jié)構(gòu)等效電路如圖2所示。根據(jù)基爾霍夫電壓定律得到線圈的電路模型：

圖2 等效電路圖

(1)

式中，U—— 線圈電壓

i—— 線圈電流

R—— 線圈回路電阻

L—— 線圈電感

φ—— 主磁路磁鏈

x—— 閥芯位移

t—— 時間

磁場是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的耦合媒介。由于磁路和電路概念存在共性，常常采用類似電路的辦法來分析磁路，等效磁路如圖3所示。

圖3 等效磁路圖

在磁阻的計算中，通常采用磁路分割法進行分析。根據(jù)經(jīng)驗公式求得各部分磁阻，再根據(jù)磁路中各磁阻串并聯(lián)關(guān)系得到總的磁阻：

∑Rc=∑Rm+∑Rδ+∑Rf

(2)

式中，Rc—— 等效磁路中總磁阻

Rm—— 磁性材料的磁阻

Rδ—— 主工作氣隙磁阻

Rf—— 非工作氣隙磁阻

磁性材料的磁阻計算公式：

∑Rm=Rm1+Rm2+Rm3+Rm4

(3)

Rm=Hm·lm

(4)

式中，Rm1～Rm4—— 分別為靜鐵芯、動鐵芯、線圈軛鐵和封鐵的磁阻

lm—— 磁性材料長度

Hm—— 磁場強度

工作氣隙的磁阻：

(5)

式中，δ—— 氣隙長度

μ0—— 真空磁導(dǎo)率，其值為4π×10-7H/m

S0—— 工作氣隙磁通面積

非工作氣隙磁阻：

∑Rf=Rf1+Rf2

(6)

(7)

式中，Rf1—— 線圈軛鐵與靜鐵芯的徑向氣隙磁阻

Rf2—— 線圈封鐵與動鐵芯的徑向氣隙磁阻

r1—— 內(nèi)圈磁極半徑

r2—— 外圈磁極半徑

Lf—— 內(nèi)外圈磁極的重合長度

根據(jù)磁路歐姆定律：

N·i=φ∑Rc

(8)

式中，N—— 線圈匝數(shù)

φ—— 線圈磁通量

根據(jù)麥克斯韋電磁吸力公式得閥芯所受電磁力：

(9)

式中，S為工作氣隙截面積。

2.2 機械液壓系統(tǒng)分析

1) 正向通流

隨著電磁閥進出口壓差的逐漸減小，閥芯運動包含有4種過程狀態(tài)，閥口狀態(tài)和閥芯、閥座受力如圖4～圖7所示。

圖4 先導(dǎo)閥口、主閥口均關(guān)閉狀態(tài)

(1) 先導(dǎo)閥口、主閥口均關(guān)閉

0=FN-Fk1-Fh

(10)

式中，F(xiàn)N—— 主閥座對閥芯的作用力

Fk1—— 主彈簧對動鐵芯的作用力

Fh—— 動鐵芯與閥座動鐵的液壓力

(2) 先導(dǎo)閥口開啟、主閥口關(guān)閉

動鐵芯：

(11)

式中，m1—— 動鐵芯的質(zhì)量

Fk2—— 先導(dǎo)彈簧對動鐵的作用力

Fh1—— 動鐵芯的液壓力

Ff1—— 動鐵芯的摩擦力

Fv1—— 動鐵芯的阻尼力

x1—— 動鐵芯的位移

閥座動鐵：

0=Fh2-Fk2-FN2

(12)

式中，F(xiàn)h2—— 閥座動鐵液壓力

FN2—— 主閥座對閥座動鐵的作用力

圖5 先導(dǎo)閥口開啟、主閥口關(guān)閉狀態(tài)

(3) 先導(dǎo)閥口保持開啟、主閥口強制打開

(13)

式中，m2—— 閥座動鐵的質(zhì)量

Ff—— 動鐵芯與閥座動鐵的摩擦力

Fv—— 動鐵芯與閥座動鐵的阻尼力

x—— 動鐵芯與閥座動鐵的位移

圖6 先導(dǎo)閥口保持開啟、主閥口強制打開

圖7 先導(dǎo)閥口關(guān)閉、主閥口保持開啟

(4) 先導(dǎo)閥口關(guān)閉、主閥口保持開啟

動鐵芯：

0=Fm-Fk1-Fk2-Fh1-FN1

(14)

式中，F(xiàn)N1為靜鐵芯對動鐵芯的作用力。

閥座動鐵：

(15)

式中，F(xiàn)f2—— 閥座動鐵的摩檫力

Fv2—— 閥座動鐵的阻尼力

x2—— 閥座動鐵的位移

2) 反向通流(此時線圈不通電)

(16)

反向通流時閥口狀態(tài)、動閥芯和閥座動鐵閥芯受力如圖8所示。

圖8 反向通流時動閥芯和閥座動鐵閥芯受力圖

2.3 傳熱系統(tǒng)分析

線圈通電，電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生焦耳熱，電能轉(zhuǎn)化為熱能，線圈的單位體積生熱率為:

(17)

式中，q—— 線圈單位體積生熱率

V—— 線圈導(dǎo)線體積

如圖9所示，通電線圈作為一個固定的熱源，裝置內(nèi)部各零件配合接觸，熱量在內(nèi)部主要以熱傳導(dǎo)的方式進行傳遞。線圈殼體表面、閥塊表面、動鐵芯頂面與外部空氣接觸，傳遞到表面的熱量最終以對流換熱和輻射換熱的方式散失。

圖9 線圈散熱簡圖

1) 熱傳導(dǎo)

2個完全接觸的物體之間或者1個物體不同部位之間存在溫度差引起的內(nèi)能交換。熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律：

(18)

λ—— 導(dǎo)熱系數(shù)

l—— 材料厚度

T—— 2個接觸物體之間的溫度差

2) 熱對流

自然對流可用牛頓冷卻方程表示：

(19)

h—— 對流換熱系數(shù)

Ts—— 固體表面溫度

Tf—— 接觸空氣的溫度

3 電磁閥的仿真與分析

利用AMESim軟件中不同系統(tǒng)庫元件搭建電磁閥仿真模型，由電磁模塊、機械液壓模塊、傳熱模塊組成，如圖10所示。仿真分析電磁閥的工作特性和溫升特性。

圖10 仿真模型

3.1 電磁閥工作特性仿真

閥芯開啟過程動鐵芯和閥座動鐵的位移變化曲線，如圖11所示，兩者相對位置決定先導(dǎo)閥口的實際開度。壓差逐漸減小時，閥芯開啟經(jīng)歷了4個過程狀態(tài)，先導(dǎo)閥口與主閥口啟閉分別對應(yīng)機械液壓系統(tǒng)分析中的4種情況。

圖11 閥芯運動曲線

3.2 電磁閥溫升特性仿真

繞組溫度T和電流I的仿真曲線如圖12所示。通過控制變量法改變電磁閥線圈的電壓和環(huán)境溫度，研究不同環(huán)境溫度下線圈繞組穩(wěn)態(tài)溫度、穩(wěn)態(tài)電流與加載電壓的關(guān)系。

圖12 繞組溫度和電流的仿真曲線

通過控制變量法改變電磁閥線圈的電壓和環(huán)境溫度，研究不同環(huán)境溫度下線圈繞組穩(wěn)態(tài)溫度、穩(wěn)態(tài)電流與加載電壓的關(guān)系。

如圖13a所示為不同環(huán)境溫度下，線圈繞組穩(wěn)態(tài)溫度與加載電壓的關(guān)系曲線。由仿真可知線圈加載電壓30 min內(nèi)均能達到熱平衡狀態(tài)。同一環(huán)境溫度下，線圈繞組熱平衡溫度與加載電壓呈線性關(guān)系。環(huán)境溫度越高、加載電壓越大，線圈繞組穩(wěn)態(tài)溫度越高。如圖13b為不同環(huán)境溫度下，線圈的穩(wěn)態(tài)電流與加載電壓的關(guān)系曲線?？梢钥闯鲇捎诶@組溫升導(dǎo)致線圈電阻增大，線圈的穩(wěn)態(tài)電流隨加載電壓增大而增大但不呈線性關(guān)系。在給定的環(huán)境溫度和加載電壓條件下，電磁閥的溫度仿真結(jié)果可在溫度試驗前對電磁閥線圈繞組穩(wěn)態(tài)溫度和穩(wěn)態(tài)電流進行預(yù)估。

圖13 不同環(huán)境溫度下，繞組穩(wěn)態(tài)溫度和穩(wěn)態(tài)電流分別在不同電壓下的關(guān)系仿真曲線

4 電磁閥的性能測試

4.1 實驗平臺

液壓性能測試試驗臺用于測試電磁閥的相關(guān)性能參數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖14所示，由液壓系統(tǒng)、高低溫箱和電控柜組成。液壓系統(tǒng)包含有電氣元件、液壓元件、傳感器等。測試樣件安裝接口位于高低溫箱內(nèi)，由高低溫箱控制環(huán)境溫度。電控柜采集液壓系統(tǒng)中傳感器信號并控制電氣元件、液壓元件動作。

圖14 液壓性能測試試驗臺

4.2 測試結(jié)果分析

1) 電磁閥通電響應(yīng)測試

從圖15中可以看出當線圈加載相同的電壓時，電磁閥兩端壓差越大，閥的先導(dǎo)特性體現(xiàn)的越明顯即先導(dǎo)閥口和主閥口順序開啟的特點，反應(yīng)到輪缸壓力變化曲線上為兩段不同斜率的升壓段,反映到電流線圈電流變化曲線上為2個波谷。當電磁閥兩端的壓差較小時，先導(dǎo)特性不明顯，輪缸升壓曲線無明顯分段現(xiàn)象，先導(dǎo)閥口與主閥口開啟時間間隔短，響應(yīng)時間基本一致，此時先導(dǎo)閥通電響應(yīng)時間等于主閥通電響應(yīng)時間，如圖15a所示。主閥口的響應(yīng)時間為電流開始上升點與輪缸升壓曲線斜率變化點之間的時間間隔。當電磁閥兩端的壓差較大時，先導(dǎo)特性明顯，輪缸升壓曲線出現(xiàn)分段現(xiàn)象，先導(dǎo)閥口與主閥口開啟時間間隔長，先導(dǎo)閥通電響應(yīng)時間小于主閥通電響應(yīng)時間，如圖15b所示。

圖15 通電響應(yīng)測試

圖16為線圈分別加載9 V和12 V電壓時，閥口響應(yīng)時間與電磁閥兩端壓差之間的關(guān)系。線圈加載電壓越大，電磁閥兩端壓差越小，那么電磁閥的響應(yīng)速度就越快。

圖16 壓差與通電響應(yīng)時間的關(guān)系曲線

2)電磁閥的開啟電流測試

電磁閥開啟電流測試曲線如圖17所示。兩端壓差越大，開啟電流越大且曲線基本呈線性關(guān)系，如圖18所示。

圖17 開啟電流測試

圖18 開啟電流與壓差的關(guān)系曲線

5 電磁閥的溫度試驗

5.1 實驗平臺搭建

電磁閥的溫度試驗采用PT100貼片式鉑電阻溫度傳感器，在不破壞樣品的情況下用耐高溫硅膠粘貼在線圈繞組表面、線圈殼體外圓柱表面和踏板行程模擬裝置閥塊上表面，如圖19所示。將貼好溫度傳感器的踏板行程模擬器固定在高低溫箱中，通過高低溫箱控制環(huán)境溫度。分流器串聯(lián)在電磁閥線圈的線路中采集線圈電流，線圈采用可變電壓源供電，驅(qū)動電壓根據(jù)試驗需求設(shè)定。

圖19 實驗裝置

5.2 試驗結(jié)果分析

圖20a～圖20d所示為在不同環(huán)境溫度下，線圈加載不同電壓，持續(xù)供電30 min，線圈繞組的溫度和電流變化曲線。繞組最高溫度受線圈支架耐熱溫度限制，設(shè)定上限溫度為175 ℃。環(huán)境溫度越高、線圈加載電壓越大，繞組溫升速率越快。若線圈能夠達到熱平衡溫度，則所需的時間隨著環(huán)境溫度和驅(qū)動電壓的增高而延長。線圈電阻受繞組溫度的影響，繞組溫度升高，電阻增大，電流減小。當繞組溫度趨于穩(wěn)定時，電流也將達到一個穩(wěn)定值。若繞組溫度30 min內(nèi)未達到熱平衡狀態(tài)就已經(jīng)超過了上限溫度值，說明此時的驅(qū)動電壓無法使線圈在當前環(huán)境溫度下長時間正常工作。為了保證電磁閥線圈長時間正常工作，環(huán)境溫度為24 ℃時，線圈最高驅(qū)動電壓為10 V；環(huán)境溫度為50 ℃時，線圈最高驅(qū)動電壓為9 V；環(huán)境溫度為80 ℃，線圈最高驅(qū)動電壓為8 V；當環(huán)境溫度為100 ℃，保證線圈長時間正常工作的電壓需低于7 V。說明環(huán)境溫度越高，線圈可以長時間正常工作的電壓越低。驅(qū)動電壓越低，電磁閥工作負載就越小，這極大的限制了電磁閥的能力。因此需要對電磁閥的控制方式進行優(yōu)化，使電磁閥在高溫、高壓的條件下依然能夠長時間正常工作。

圖20 不同環(huán)境溫度下，線圈繞組溫度和電流分別在不同電壓下的實驗曲線

6 控制方法優(yōu)化

電磁閥線圈采用的是恒壓控制方式如圖21所示。線圈加載恒定電壓，電磁閥產(chǎn)生電磁力克服液壓力和彈簧力使閥口開啟并保持開啟狀態(tài)。電磁閥兩端的壓差越大，所需的線圈加載電壓越高，但線圈的發(fā)熱量大，電磁閥無法長時間正常工作，因此采用變電壓控制即高電壓使電磁閥打開，再切換到低電壓使電磁閥維持開啟狀態(tài)。

圖21 控制方法

以下對電磁閥在極端工況6.5 MPa壓差，100 ℃環(huán)境溫度條件下的控制方法進行優(yōu)化，由電磁閥液壓性能測試中開啟電流和通電響應(yīng)測試結(jié)果設(shè)計變電壓控制的高電壓值、高電壓持續(xù)時間、低電壓值和低電壓持續(xù)時間，分別為10 V，50 ms，6.5 V和30 min。

通過測試試驗對優(yōu)化后的控制方法進行驗證。采用變電壓控制，電磁閥能夠正常工作，如圖22所示。

圖22 液壓測試

圖23a為100 ℃環(huán)境溫度下線圈采用10 V恒壓控制時電磁閥線圈繞組、線圈殼體和閥塊的溫升曲線。

由于環(huán)境溫度較高，繞組溫度270 s后便達到上限溫度，繞組無法達到熱平衡狀態(tài)，說明100 ℃環(huán)境溫度下線圈加載10 V電壓，電磁閥無法長時間正常工作。對線圈采用變電壓控制，10 V電壓使閥口開啟后切換6.5 V電壓維持閥口的開啟狀態(tài)，如圖23b所示。30 min內(nèi)電磁閥線圈繞組、線圈殼體和閥塊能夠達到熱平衡溫度，分別為163.4 ℃，138.3 ℃和106.1 ℃。說明優(yōu)化后的變電壓控制方法能夠大幅降低了線圈的發(fā)熱量，保證電磁閥的長時間正常工作。

圖23 試驗驗證

7 結(jié)論

通過先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥的仿真試驗，得到如下結(jié)論：

(1) 電磁閥兩端壓差較小時，先導(dǎo)特性不明顯，主閥口與先導(dǎo)閥口響應(yīng)時間基本相同。兩端壓差較大時，先導(dǎo)特性明顯，先導(dǎo)閥口先開啟卸去部分壓力再開啟主閥口，升壓曲線分段，電流出現(xiàn)2個波谷;

(2) 環(huán)境溫度越高，加載電流越大，線圈溫升速率越快，達到熱平衡溫度越高，由于材料耐熱限制使得電磁閥無法長時間工作，也無法達到熱平衡狀態(tài);

(3) 采用變電壓控制方法能夠有效的降低線圈的發(fā)熱量，保證電磁閥能夠長時間正常工作，提高了電磁閥的工作能力。